Compuestos fenólicos encapsulados en inulina cristalina/amorfa por secado por atomización : influencia sobre el perfil de liberación de polifenoles durante la digestión simulada in vitro

Abstract

Los compuestos fenólicos tienen propiedades antiinflamatorias y antioxidantes, pero una baja estabilidad digestiva. Por ello, se han usado tecnologías de encapsulación, como el secado por atomización. La inulina tiene la particularidad de cristalizar en agua, propiedad que podría modificar el perfil de liberación de los encapsulados. Por tanto, se evaluó la influencia del índice de cristalinidad (IC) de inulina, tamaño de partícula y localización (núcleo-recubrimiento) de polifenoles en micropartículas obtenidas por secado por atomización sobre el perfil de liberación de ácido elágico (AE), quercetina (Q) y ácido gálico (AG) en la digestión simulada in vitro. Con el propósito de variar el IC de las micropartículas, se aplicaron diseños estadísticos para estudiar: (1) mezclas de dispersiones de inulina y de cristalitos de inulina preformados, (2) variación de las condiciones de operación del secado por atomización, y (3) aplicación de ultrasonido (US) en la preparación de las dispersiones de alimentación. El máximo IC resultó en un ≈20% e independiente del diseño aplicado. La temperatura de entrada del aire al secador y la de alimentación afectaron el IC, mientras que la relación compuesto fenólico:inulina no impactó el IC, pero sí la eficiencia de encapsulación (EE). El US provocó la cristalización de inulina y aumentó la EE de Q. En las condiciones óptimas de cada diseño se obtuvieron micropartículas amorfas y semicristalinas (SC), las que se caracterizaron (propiedades fisicoquímicas, térmicas y morfológicas), y sometieron a digestión simulada in vitro (protocolo INFOGEST 2.0, sistema SHIME® y simulación con inulinasa). En general, sin US, no hubo diferencias en la concentración encontrada de Q y AE en las fases de la digestión en función del IC. Al aplicar US, se obtuvo una mayor EE de Q y AE en micropartículas SC, lo que redujo la liberación (≈15%) en la fase gástrica comparado con las amorfas (Q: ≈68%; AE: ≈100%). En la fase colónica con inóculo fecal (SHIME®), se cuantificó Q soluble (24 h) y su metabolito predominante, ácido 3,4-dihidroxifenil acético (48 h), en las micropartículas con 21% de IC, lo que sugiere que la inulina SC ralentiza la metabolización de la Q. Evaluada la variación del IC en las micropartículas se estudió: (1) la encapsulación de AE, Q y AG (diferente solubilidad) en micropartículas amorfa y SC por variación de las condiciones de operación del secador por atomización. La inulina amorfa y SC no encapsuló eficientemente la Q (EE: ≈24%) pero sí el AE (EE ≥ 85%) y el AG (EE: ≈98%). Además, la concentración de Q, AE y AG en las fases de la digestión resultó dependiente de la hidrofobicidad de cada compuesto; (2) la localización de Q y AE en microcápsulas (núcleo-recubrimiento), obtenidas al aplicar US, donde se alternó la cristalinidad de la inulina. La EE de Q y AE resultó dependiente del IC de la inulina y no de la localización. El IC, perfil térmico y perfiles de liberación de Q y AE en la digestión resultaron similares. Sin embargo, se demostró la co-liberación de polifenoles en un sistema de encapsulación; (3) la combinación de la cristalinidad y el tamaño de micropartículas. El estudio se enfocó en el tamaño de partículas en las dispersiones de alimentación al aplicar dos ciclos de US (inducción de la nucleación de inulina y fragmentación de los cristalitos de inulina). Las dispersiones de alimentación óptimas se alimentaron a un secador por atomización convencional mini y nano. El tipo de secador no afectó el tamaño de las micropartículas pero si el comportamiento térmico. En la digestión, el AE se detectó en la fracción insoluble, obteniendo un perfil diferente en las micropartículas SC obtenidas en el secador nano. En conclusión, el IC sólo afectó la liberación gastrointestinal de Q y AE al aplicar US en la preparación de la dispersión de alimentación. La presencia de inulina en el medio digestivo sugiere un efecto protector de los compuestos fenólicos principalmente la combinación de Q con inulina SC. Por tanto, la cristalinidad de inulina u otros biopolímeros podría afectar la cristalización, solubilidad y metabolización de los bioactivos más que los perfiles de liberación en la digestión.

Phenolic compounds have anti-inflammatory and antioxidant properties but exhibit low digestive stability. Therefore, encapsulation techniques such as spray-drying have been used to protect them. Inulin has the particularity of crystallizing in water, a property that may modify the release profile of encapsulated compounds. The objective of this thesis was to evaluate the influence of the crystallinity index (CI) of inulin, particle size, and location (core/shell) of phenolic compounds in microparticles obtained by spray-drying on the in vitro simulated digestion release profile of ellagic acid (EA), quercetin (Q), and gallic acid (GA). To vary the CI of the microparticles, statistical designs were applied to study (1) the mixture of inulin dispersion and preformed inulin crystallite dispersion; (2) the variation of the spray-drying operational conditions; and (3) the application of ultrasound (US) in the infeed dispersions. The maximum CI reached was ≈20%, independent of the applied statistical design. The inlet air temperature and the infeed temperature affected the CI, while the phenolic compound:inulin ratio did not impact the CI but did affect the encapsulation efficiency (EE). The application of US induced the inulin crystallization and increased the EE of Q. Under the optimal conditions of each design, amorphous and semicrystalline microparticles were obtained, which were characterized (physicochemical, morphological, and thermal properties) and subjected to simulated in vitro digestion (INFOGEST 2.0 protocol, SHIME® system, and simulation with inulinase). Overall, without US, no differences were obtained in the concentration of Q and EA in the digestion phases depending on the CI. Bile extract and pH increased the soluble Q and EA in the intestinal phase. When US was applied, a higher EE of Q and EA was obtained in semicrystalline microparticles, generating a lower release (≈15%) in the gastric phase than the amorphous one (Q: ≈68%; AE: ≈100%). In the colonic phase with fecal inoculum (SHIME®), soluble Q (24 h) and its predominant metabolite, 3,4-dihydroxyphenil acetic acid (48 h), were quantified in microparticles with 21% of CI, suggesting that semicrystalline inulin slows down the metabolization of Q. After evaluating the CI of the microparticles, the following studies were performed: (1) the EA, Q, and GA encapsulation in amorphous and semicrystalline microparticles by variation of the spray-drying operational conditions. Amorphous and semicrystalline inulin did not efficiently encapsulate Q (EE: ≈24%) but did encapsulate EA (EE ≥ 85%) and GA (EE: ≈98%). Moreover, the concentration of Q, EA, and GA in the digestive phases were dependent on the hydrophobicity of each compound; (2) the localization of Q and EA in microcapsules (core/shell), obtained by US application, where the crystallinity of inulin was alternated. The EE of Q and EA was found to be dependent on the CI in inulin but not on the location. The CI, thermal behavior, and digestive release profiles of Q and EA were similar. However, the co-release of two phenolic compounds in the same encapsulation system was demonstrated; (3) the combination of crystallinity and particle size of the microparticles. The study focused on the particle size in the infeed dispersion to apply two US cycles (inulin nucleation induction and inulin crystallites fragmentation). Optimal infeed dispersions were fed into conventional mini and nano spray dryers. The type of spray dryer did not affect the size of the microparticles but did influence the thermal behavior. In digestion, the EA was detected in the insoluble fraction, showing a different profile in semicrystalline microparticles obtained in the nano spray dryer. In conclusion, the CI only influenced the gastrointestinal release of Q and EA when US was applied during infeed preparation. The presence of inulin in the digestive medium suggests a protective effect of phenolic compounds, mainly the combination of Q with semicrystalline inulin. Therefore, the crystallinity of inulin and other biopolymers may affect the crystallization, solubility, and metabolization of bioactive compounds more than the release profile in digestion.